潘洪科，唐文宣，楊林德

（1．中原工學院，鄭州450007；2．湖南科技學院，湖南 永州425100；3．同濟大學，上海200092）

地鐵工程建設(shè)項目耐久性失效風險研究

潘洪科1，唐文宣2，楊林德3

（1．中原工學院，鄭州450007；2．湖南科技學院，湖南 永州425100；3．同濟大學，上海200092）

對影響地鐵工程結(jié)構(gòu)（隧道、站臺、連續(xù)墻等）耐久性風險因素進行歸納，并對主要風險因素的作用機理及影響方式作了詳細分析．在此基礎(chǔ)上，提出了一套分析、評價和計算耐久性風險的研究方法．以層次分析法為例，提出了對各風險因素進行分級排序的具體方法，以此探討各主要因素對耐久性失效風險的影響程度，進而可取得地下結(jié)構(gòu)耐久性失效風險分析的量化指標．最后研究了按照蒙特卡羅法進行結(jié)構(gòu)耐久性失效定量計算的方法．

地鐵工程項目；風險分析；耐久性；可靠度

大型地下工程建設(shè)投資巨大且工程復雜，在建設(shè)及營運過程中都存在著大量的不確定性及不可預見的影響因素，即易遭遇各種風險，如：因土質(zhì)條件而導致的結(jié)構(gòu)縱向不均勻沉降風險，火災風險，地震風險，長距離隧道通風風險，使用環(huán)境影響的風險，重要機具在設(shè)計和使用上的適用性與可靠性風險，各種外部環(huán)境因素引起的耐久性風險，遇到穿越大江大河等水域時需考慮的風險等．因此，應充分考慮建設(shè)和營運過程中的各種可能風險，并對其進行綜合性的研究分析和評估，提出相應措施和建議，以確保工程的安全性、適用性和耐久性．考慮到所研究內(nèi)容的復雜性，本文擬就其中的一部分即地鐵工程建設(shè)的耐久性風險展開分析研究，以建立耐久性風險分析的一般性研究方法與理論依據(jù)，以及進行耐久性風險評估的一整套方法體系，并依據(jù)風險分析與評估結(jié)果提出了最大限度地降低風險、提高耐久性的措施．

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題已引起人們的普遍關(guān)注，但對其研究仍不夠深入，目前取得的一些研究成果主要集中在地面及水工結(jié)構(gòu)，而且其研究方法主要還停留在材料的層次上．對于地下結(jié)構(gòu)（地鐵）耐久性的研究極少有人涉及，并往往認為地鐵工程結(jié)構(gòu)不會因為耐久性問題而破壞；在研究的層面上很少考慮到結(jié)構(gòu)力學層次方面的因素．此外，研究的角度也多是開展單因素影響下的耐久性研究，而極少考慮工程中幾種因素綜合作用下的耐久性破壞情形．事實上，隨著近幾十年來地鐵工程的大量建設(shè)，地鐵混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題表現(xiàn)比較突出，而且由于地鐵結(jié)構(gòu)相對于地面結(jié)構(gòu)的特殊性，其耐久性問題更有其獨特性和復雜性．因此，地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性研究方法也將有別于一般地面結(jié)構(gòu)的研究方法，尤其是在研究角度方面須考慮多個因素的綜合交叉影響［1］．此外，地鐵結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限要求至少100年，故對地鐵工程有必要在立項論證階段進行量化風險分析，以便為項目決策及采取相應的防治措施提供依據(jù)．

地鐵工程的耐久性失效風險可以通過其失效概率來定量表示．本文擬針對地鐵工程所處特定環(huán)境，在分析耐久性失效風險因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)可靠度理論，對其耐久性失效風險提出分析與計算的方法，并從影響地鐵工程結(jié)構(gòu)耐久性諸多風險因素的歸納與規(guī)律分析、風險因素影響指標的測定與評估及各因素組合作用的典型情形等幾方面對此專題進行全面的分析論證．文中列舉了所有影響因素，對典型影響因素的作用機理進行了詳盡分析，并參照有關(guān)設(shè)計標準對其影響程度給予確定性評價．

1 耐久性影響因素及分析

地鐵混凝土結(jié)構(gòu)埋置于巖土體中，其耐久性影響因素相對于地面結(jié)構(gòu)更具復雜性和不確定性．作者將地鐵結(jié)構(gòu)耐久性影響因素分為環(huán)境因素、材料因素、力學物理因素和施工及管理因素4大類［2］，同時，這些因素還相互交錯影響．這些影響因素可由結(jié)構(gòu)樹圖表示，如圖1所示．

圖1 地下結(jié)構(gòu)耐久性風險因素的結(jié)構(gòu)樹圖

對于上述各因素對地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性影響情形均可展開詳細的分析，但因篇幅所限，此處僅列舉幾種典型因素進行探討．

1．1 沉船荷載的影響

穿越江河的地鐵隧道存在這一風險因素影響．江河中一旦發(fā)生沉船事件，將對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響，因此，應對沉船荷載加以考慮．首先應對江河通航狀況及沉船類型的風險進行分析，通航狀況可通過調(diào)查獲取，對沉船類型的風險分析可按照大型船只和中小型船只分別討論［3］．

大型沉船事件發(fā)生概率較小，但后果嚴重．如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計中計入大型船只沉沒荷載，將大大增加工程結(jié)構(gòu)的造價，但若采取相應的措施進行預防和控制，隧道結(jié)構(gòu)災難性后果將不會發(fā)生．因此對這種類型的風險應以預防為主，加強結(jié)構(gòu)設(shè)計為輔．另外，還可以于隧址處設(shè)立禁沉區(qū)標志，一旦船只失事，應盡快將其駛離，可避免隧道結(jié)構(gòu)的滅頂之災．

中小型船只沉船是沉船事件發(fā)生的主要類型，其發(fā)生的概率較高，對隧道結(jié)構(gòu)的危害易于控制，因此沉船荷載主要根據(jù)此種船型并參考國外有關(guān)資料計算確定，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計中按照此荷載分析確定沉船造成的危害．如果船只失事后沉沒在隧道頂上，其產(chǎn)生的危害與船只的類型、噸位、裝載情況、沉沒方式、覆土厚度及隧頂土面是否突出于兩側(cè)河床地面等因素有關(guān)．沉船事故一旦發(fā)生，結(jié)構(gòu)與周圍土層將共同承受沖擊荷載，隧道結(jié)構(gòu)及注漿層組合結(jié)構(gòu)相對于軟土層剛度較大，承受較多沖擊荷載．因此，鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)在此沖擊荷載作用下內(nèi)力必須計算校核，以確保其結(jié)構(gòu)安全．盾構(gòu)隧道為裝配整體式結(jié)構(gòu)，且為縱向線形結(jié)構(gòu)，其抵抗沖擊荷載的能力必然較整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)差，在沉船沖擊荷載作用下，可能導致縱橫向失穩(wěn)．防水接縫采用的是遇水自膨脹有機材料，抗沖擊性較差，一旦失效，將導致江水滲漏，如大面積漏水，可能造成隧道停用，且難以修復．

1．2 縱向不均勻沉降的影響

地鐵隧道廣泛采用的盾構(gòu)隧道為裝配整體式一維線狀結(jié)構(gòu)，其縱向剛度較差，對縱向不均勻沉降的影響極為敏感．尤其是越江通道隧道結(jié)構(gòu)，建于飽和含水、靈敏度較高的軟土地區(qū)，施工階段對土的擾動、地下水下降引起的區(qū)域性沉降、河勢變遷引起的河床變動、使用階段沿線新建工程的影響等均可使得隧道縱向變形達到不可忽略的程度．隧道縱向變形不僅導致隧道縱向軸應力變化及縱向接頭張開值增大，同時也給隧道橫斷面帶來附加內(nèi)力，成為隧道管片設(shè)計上不可忽略的重要因素．

由于種種原因，發(fā)生過量的縱向不均勻沉降，將會引發(fā)隧道滲水漏泥或結(jié)構(gòu)局部破壞，或內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如地鐵軌道）發(fā)生縱向扭曲變形，影響隧道的正常運營，進而影響到周圍及地表各類構(gòu)筑物的使用，給地鐵運營管理部門和國家造成巨大的經(jīng)濟損失．

有些部門或地方的設(shè)計規(guī)范建議軟土盾構(gòu)隧道在設(shè)計時宜穿越單一土層，對不均勻地層或不同結(jié)構(gòu)引起的隧道縱向不均勻沉降，一般通過設(shè)置縱向變形縫來緩解．但由于縱向沉降的影響因素較為復雜，僅僅通過設(shè)置縱向變形縫措施遠遠不夠，因此，應采取計算分析輔以適當?shù)臉?gòu)造加以解決．具體措施宜采取專門的研究方法．

1．3 侵蝕性環(huán)境的影響

侵蝕性介質(zhì)對地鐵工程結(jié)構(gòu)耐久性的影響較大，主要包括CO2的碳化作用及Cl－、SO42－、Mg2＋等鹽類或酸類物質(zhì)的侵蝕引起的腐蝕破壞．

首先討論碳化作用．導致混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕的前提條件為混凝土的中性化．混凝土的中性化是指混凝土中的氫氧化鈣與大氣中的酸性氣體（主要為CO2）相互作用，生成弱堿性的碳酸鈣，從而使其堿性程度降低．由于混凝土內(nèi)鋼筋表面鈍化膜的存在須在較高的堿性環(huán)境下（p H≥10）才保證，而碳化后的混凝土堿性程度往往降到p H＝9甚至以下，故碳化一經(jīng)發(fā)展到鋼筋的表面，鈍化膜即變得不穩(wěn)定，鋼筋開始銹蝕．而鋼筋銹蝕又將導致混凝土保護層開裂、鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力降低、結(jié)構(gòu)耐久性降低等不良后果．

目前，國內(nèi)外對混凝土碳化的機理、影響因素、碳化深度預測模型、材料性狀的改變、力學性能變化等方面都進行了相當多的研究，也取得了較多的成果，但這些研究仍主要集中在材料和構(gòu)件層次上，而對于綜合考慮各影響因素、從宏細觀結(jié)合角度、運用損傷斷裂理論、聯(lián)系材料細微結(jié)構(gòu)的組成及化學變化與整體結(jié)構(gòu)的力學性狀及功能性和耐久性能變異之間關(guān)系的研究工作卻做得遠為不夠．作者在文獻［4］、［5］中對此有專門的研究．

地鐵土壤介質(zhì)中可能存在一定量的氯離子，氯離子是一種高效的活化劑，在較低的濃度下（混凝土重量的0．014%～0．022%）［6］即可破壞鋼筋表面的鈍化膜，在一定的環(huán)境條件共同作用下會引起混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕．同時氯離子的存在有利于混凝土內(nèi)部保持濕潤并減小混凝土的電阻率，這些都使得混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕速度提高．在一般自然環(huán)境中，混凝土的碳化速度相對較為緩慢，而氯離子向混凝土內(nèi)擴散的速度要高于混凝土的碳化速度．故在某些特殊地區(qū)，氯鹽引起的混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕相當嚴重，應引起足夠重視．

氯離子引起鋼筋銹蝕是一個電化學反應過程．在陽極反應區(qū)，在氯離子作用下鐵原子開始離子化，并經(jīng)過下述化學反應產(chǎn)生鐵銹（氫氧化亞鐵）：

Fe＋2Cl－→Fe2＋＋2Cl－＋2e

Fe2＋＋2Cl－＋2e＋2H2O→Fe（OH）2＋2H＋＋2Cl－

在陰極反應區(qū)，水和氧氣得到電子后可產(chǎn)生氫氧根離子，并與鐵離子作用生成鐵銹（氫氧化亞鐵），反應式為：

影響氯離子侵入混凝土的因素有水泥品種、水灰比和養(yǎng)護齡期等．可見，與碳化相似，混凝土的滲透性是氯離子侵入的控制因素．就混凝土材料而言，除強度外，降低其滲透性是提高結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵．

環(huán)境水中的SO42－進入混凝土后，首先與混凝土孔隙液中的 Ca（OH）2發(fā)生反應，生成 CaSO4，而CaSO4又可與水泥石中的4CaO·Al2O3·12 H2O（水化鋁酸鈣）發(fā)生化學反應，生成難溶于水的3CaO·Al2O3·3CaSO4·31 H2O（水化硫鋁酸鈣，鈣礬石），反應式為：

而硫酸進入混凝土內(nèi)部后，將生成CaSO4·2 H2O（石膏），導致水泥石因體積膨脹而受到破壞，同時將降低混凝土的堿度，使鋼筋鈍化膜失去保護．反應式為：

1．4 雜散電流引起的電化學腐蝕破壞

地鐵列車利用電力驅(qū)動提供能源．隨著時間的推移，由于各種原因，不可避免地存在一定的泄漏電流（迷流）．地鐵迷流主要對地鐵周圍的埋地金屬管道、通訊電纜外皮以及車站和區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋產(chǎn)生電化學腐蝕，不僅縮短金屬管、線的使用壽命，還會降低地鐵鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)的強度和耐久性，甚至釀成災難性事故．

在雜散電流作用下［7］，作為陽極的鐵可被電解（Fe→Fe2＋＋2e），并可生成化合物．其電解過程符合法拉第定律．

設(shè)在電解質(zhì)溶液中移動1 mol電子所需的電量Q為：Q＝N A·e＝96 485．3（C）．其中：N A＝6．022 5×1023為阿伏加德羅常數(shù)；e＝1．602×10－19C為一個電子的電量．設(shè)電解質(zhì)離子的分子量為M，化合價為n，質(zhì)量為W，則離子運動時所帶的電量為

假設(shè)在某段由走行鋼軌、過渡電阻、結(jié)構(gòu)鋼筋（排流網(wǎng)）組成的迷流圈內(nèi)，雜散電流為I（A），電流流過陽極鋼筋的時間為t（s），則雜散電流的電量為It，并等于電解質(zhì)離子所帶的電量，即：

由此可得被腐蝕的鐵的質(zhì)量為：

對于鐵來說，M＝56．89，n＝2，故當電流為1 A時，1年時間內(nèi)被腐蝕的鐵的質(zhì)量為：

2 耐久性失效風險的非確定性分析方法

耐久性失效風險的研究方法很多．由于決定耐久性影響因素作用程度的各參數(shù)在嚴格意義上講均為隨機變量，存在不確定性（雖結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期為100年，在基準期內(nèi)仍然存在失效的概率），因此一般宜采用非確定性的分析方法．目前較成熟且有著較好的科學性和先進性的評價方法主要有：層次分析法、故障樹法、蒙特卡羅法等．

本文主要以層次分析法為例講解其分析研究過程．首先將各風險因素進行層次化分析，然后確定各層次風險因素參數(shù)，包括各層次風險因素權(quán)重、風險概率及后果非效用值的確定，由此可確定總的風險系數(shù)R．根據(jù)總的風險系數(shù)R的大小，可將風險按嚴重程度分為數(shù)級，并可對各級耐久性失效風險進行排序．

2．1 風險因素的層次劃分

以侵蝕性環(huán)境引起的耐久性失效為例，風險因素的層次分析如表1和表2所示．

表1 第一級層次分析表

表2 第二級層次分析表

2．2 各層次風險因素參數(shù)的確定

2．2．1 各層次風險因素權(quán)重的確定

構(gòu)造各級風險因素的判斷矩陣，并請專家按表3所示規(guī)則對同層因素間的相對重要性給出評判，由此可求出各因素的權(quán)重值．2．2．2 風險概率與后果非效用值的確定

表3 重要性權(quán)數(shù)標度表

根據(jù)風險概率與后果非效用值表（見表4）的對應關(guān)系，由專家打分確定底層各風險因素各級后果出現(xiàn)的概率．

表4 風險概率分級表

2．2．3 各層次風險因素及總的風險系數(shù)的確定

項目的風險水平可以用總的風險系數(shù)R來衡量，R＝Pf＋Cf－PfCf．其中：Pf表示項目失效的概率，即項目各個風險發(fā)生概率的平均值，Pf＝（Pf1＋Pf2＋…＋Pfn）／n；Cf表示項目失效的后果非效用值，即項目各風險后果非效用值的平均值，Cf＝（Cf1＋Cf2＋…Cfn）／n，n為風險個數(shù)．

根據(jù)總的風險系數(shù)R的大小，可將風險分為四級，如表5所示．

表5 風險系數(shù)分級表

3 耐久性失效風險的定量分析方法

耐久性失效風險的定量分析主要采用蒙特卡羅法．采用半定性半定量的層次分析方法對耐久性影響因素進行排序后，可找出對地鐵結(jié)構(gòu)影響較顯著的若干因素，依據(jù)已有的研究成果及經(jīng)驗建立結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)學模型及各隨機變量的分布．并按地下結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期100年推出結(jié)構(gòu)耐久性失效的風險數(shù)學表達式．依據(jù)蒙特卡羅法即可計算結(jié)構(gòu)耐久性失效的定量化風險．蒙特卡羅法的要點在于理論性“模擬”，即借助計算機生成一系列獨立的服從標準均勻分布的隨機數(shù)，根據(jù)中心極限定理，可在其中抽取若干構(gòu)造服從正態(tài)分布的隨機數(shù)．通過大量實驗，即可求出有關(guān)隨機事件的概率．

例如，將鋼筋銹蝕作為導致管片體系耐久性失效的主要因素，以混凝土碳化深度達到保護層厚度為極限狀態(tài)，可得地鐵混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準期100年內(nèi)耐久性失效的風險表達式：

式中：C為鋼筋保護層厚度（mm），按基準期100年求出；KC為混凝土碳化系數(shù)2．74）；Kel、Kei、Kt分別為地區(qū)環(huán)境、室內(nèi)外環(huán)境、養(yǎng)護時間影響系數(shù)，它們可根據(jù)具體工程條件取值．

最后依據(jù)鋼筋保護層厚度及混凝土強度的正態(tài)概率分布，利用蒙特卡羅法計算得到結(jié)構(gòu)的失效風險值．

4 結(jié) 語

本文討論了影響地下結(jié)構(gòu)耐久性的一些主要因素，并對主要因素的作用機理及影響方式作了詳細分析．隨后，基于對鋼筋混凝土構(gòu)件耐久性分析的可靠度理論，針對地下工程結(jié)構(gòu)的特點，提出了一套分析、評價和計算耐久性風險的研究方法．并以層次分析法為例，提出了對各風險因素進行分級排序的具體方法，以此可進而取得地下結(jié)構(gòu)耐久性失效風險分析的量化指標．最后探討了按照蒙特卡羅法進行結(jié)構(gòu)耐久性失效定量計算的方法．由于各地鐵工程所處環(huán)境不同，本文提供的僅是一般方法．

風險評估在我國尚處于起步階段．隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，大型工程的建設(shè)量正日趨擴大，在工程建設(shè)初期對其進行風險評估，不僅能對其可行性提供輔助論證，而且有利于杜絕浪費和避免發(fā)生工程事故．

［1］ 潘洪科，楊林德，湯永凈．地下結(jié)構(gòu)耐久性研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向綜述［J］．地下空間與工程學報，2005（5）：804－808，812．

［2］ 潘洪科，海然，張中國．混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命評價體系的研究［J］．中原工學院學報，2008（2）：1－4．

［3］ 陶履彬，李永盛，馮紫良，等．工程風險分析理論與實踐——上海崇明越江通道工程風險分析［M］．上海：同濟大學出版社，2006．

［4］ 潘洪科，王穗平，祝彥知，等．鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹脹開裂耐久性壽命的評判與預測研究［J］．工程力學，2009，26（7）：111－116．

［5］ 潘洪科，牛季收，楊林德，等．地下工程砼結(jié)構(gòu)基于碳化作用的耐久性劣化模型［J］．工程力學，2008，25（7）：172－178．

［6］ Brian B Hope，Alan K C Ip．Chloride Corrosion Threshold in Concrete［J］．ACI Materials Journal，1987，84（4）：306－314．

［7］ 楊林德，高占學．公路隧道耐久性研究現(xiàn)狀及保護層厚度研究［J］．公路隧道，2002（5）：1－7．

The Study on Risk of Durability Failure for Construction Projects of Subway Engineering

PAN Hong－ke1，TANG Wen－xuan2，YANG Lin－de3
（1．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007；2．Hunan University of Science and Engineering，Yongzhou 425100；3．Tongji University，Shanghai 200092，China）

Subway engineering projects have certain failure risks during construction and operation，including the risk of durability failure to which the study is not enough．In this paper，the durability risk factors of subway structure（such as tunnel，platform and diaphragm wall，etc．）were identified，and the acting mechanism and affecting fashion of main factors were analyzed in detail．On the basis of these，a set of research method for analysis，assessment and calculation on durability risk was proposed．Then，taking the method of analytic hierarchy process（AHP）as an example，various of factors were graded and sorted，and the affecting degree of main factors was analyzed on durability failure risk；further more，the quantitative indexes for subway structural durability failure risk were gained．Finally，the quantitative analysis method of structural durability failure was studied in accordance with Monte－Carlo（M－C）method．

subway project；risk analysis；durability；reliability

TU91

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．03．004

1671－6906（2012）03－0018－06

2012－02－29

河南省科技攻關(guān)計劃項目（112102310667）；河南省教育廳科學技術(shù)研究重點項目（12A560015）

潘洪科（1971－），男，江西萍鄉(xiāng)人，副教授，博士．